TY  - THES
A1  - Weidinger, Matthias
T1  - Variabilität entlang der Blazar-Sequenz - Hinweise auf die Zusammensetzung relativistischer Ausflüsse Aktiver Galaxienkerne
T1  - Variability along the Blazar-Sequence - Hints for the composition of the relativistic outflows of Active Galactic Nuclei
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abstrahlung von Aktiven Galaxienkernen. Das erste Maximum der charakteristischen Doppelpeakstruktur des $\nu F_{\nu}$-Spektrums vom Blazaren ist zweifelsfrei Synchrotronstrahlung hochenergetischer Elektronen innerhalb des relativistischen Ausflusses des zugrundeliegenden Aktiven Galaxienkerns. Die zum zweiten (hochenergetischen) Maximum beitragenden Strahlungsprozesse und Teilchenspezies hingegen sind Gegenstand aktueller Diskussionen. In dieser Arbeit wir ein vollständig selbstkonsistentes und zeitabhängiges hybrides Emissionsmodell, welches auch Teilchenbeschleunigung berücksichtigt, entwickelt und auf verschiedene Blazar-Typen entlang der Blazar-Sequenz, von BL Lac Objekten mit verschiedenen Peakfrequenzen bis hin zu Flachspektrum-Radioquasaren, angewendet. Die spektrale Emission ersterer kann gut im rein leptonischen Grenzfall, d.h. der zweite $\nu F_{\nu}$-Peak kommt durch invers Compton-gestreute Synchrotronphotonen der abstrahlenden Elektronen selbst zustande, beschrieben werden. Zur Beschreibung letzterer muss man nicht-thermische Protonen innerhalb des Jets zulassen um die Dominanz des zweiten Maximums im Spektrum konsistent zu erklären. In diesem Fall besteht der zweite Peak aus Protonensynchrotronstrahlung und Kaskadenstrahlung der photohadronischen Prozesse. Mit dem entwickelten Modell ist es möglich auch die zeitliche Information, welche durch Ausbrüche von Blazaren bereitgestellt wird, auszunutzen um zum einen die freien Modellparameter weiter einzuschränken und -viel wichtiger- zum anderen leptonisch dominierte Blazare von hadronischen zu unterscheiden. Hierzu werden die typischen Zeitunterschiede in den Interbandlichtkurven als hadronischer Fingerabdruck benutzt.\\ Mit einer Stichprobe von 16 Spektren von zehn Blazaren entlang der Blazar-Sequenz, welche in unterschiedlichen Flusszuständen und mit starker Variabilität beobachtet wurden, ist es möglich die wichtigsten offenen Fragen der Physik relativistischer Ausbrüche in systematischer Art und Weise zu adressieren. Anhand der modellierten Ausbrüche kann man erkennen, dass sechs Quellen rein leptonisch dominiert sind, aber vier Protonen bis auf $\gamma \approx 10^{11}$ beschleunigen, was Auswirkungen auf die möglichen Quellen extragalaktischer kosmischer Strahlung unter den Blazaren hat. Darüber hinaus findet sich eine Abhängigkeit zwischen dem Magnetfeld der Emissionsregion und der injizierten Leuchtkraft, welche unabhängig von den zugrunde liegenden Teilchenpopulationen Gültigkeit besitzt. In diesem Zusammenhang lässt sich die Blazar-Sequenz als ein evolutionäres Szenario erklären: die Sequenz $FSRQ \rightarrow LBL/IBL \rightarrow HBL$ kommt aufgrund abnehmender Gasdichte der Hostgalaxie und damit einhergehender abnehmender Akkretionsrate zustande, dies wird durch weitere kosmologische Beobachtungen bestätigt. Eine abnehmende Materiedichte innerhalb des relativistischen Ausflusses wird von einem abnehmenden Magnetfeld begleitet, d.h. aber auch, dass Protonen weit vor den Elektronen nicht mehr im Strahlungsgebiet gehalten werden können. Die Blazar-Sequenz ist also ein Maß für die Hadronizität des Jets. Dies erklärt zudem die Dichotomie von FSRQs und BL Lac Objekten sowie die Zweiteilung in anderen Erscheinungsformen von AGN, z.B. FR-I und FR-II Radiogalaxien.\\ Während der Modellierung wird gezeigt, dass man Blazar-Spektren, speziell im hadronischen Fall, nicht mehr statisch betrachten kann, da es zu kumulierten Effekten aufgrund der langen Protonensynchrotronzeitskala kommt. Die niedrige Luminosität der Quellen und unterschiedlich lange Beobachtungszeiten verschiedener Experimente verlangen bei variablen Blazaren auch im leptonischen Fall eine zeitabhängige Betrachtung. Die Kurzzeitvariabilität scheint bei einzelnen Blazaren stets die selbe Ursache zu haben, unterscheidet sich aber bei der Betrachtung verschiedener Quellen. Zusätzlich wird für jeden Blazar, der in verschiedenen Flusszuständen beobachtet werden konnte, der Unterschied zwischen Lang- und Kurzzeitvariabilität, auch im Hinblick auf einen möglichen globalen Grundzustand hin, betrachtet.
N2  - The work at hand deals with the radiative properties of active galactic nuclei. The first peak in the characteristic double humped spectral energy distribution of blazars is undoubtedly synchrotron emission of highly energetic electrons within the relativistic outflow of the subjacent active galactic nucleus whereas the contributing processes and particle species giving rise to the second, high energy peak are still a matter of debate. In this work a fully selfconsistent and timedependent hybrid emission model, including particle acceleration, is developed and applied to various types of sources from high frequency peaked BL Lac objects to the luminous flat spectrum radio quasars along the blazar-sequence. While the spectral emission of the first is well described leptonically, i.e. the second peak is Compton upscattered synchrotron photons by the radiating electrons themselves, one needs to introduce non-thermal protons within the jet of the latter to explain the $\gamma$-dominance in their spectra consistently. In this case the second peak consists of synchrotron radiation of highly relativistic protons and reprocessed radiation from photohadronic interactions. With the developed framework it is possible to exploit outbursts of blazars, and hence the provided timing information on the one hand to tighten down the model parameters and on the other hand, more importantly, to discriminate between purely leptonic blazars and hadronically dominated ones using the typical timelags in the interband lightcurves as a fingerprint.\\ With a sample of 16 spectra of ten blazars along the sequence, observed at different flux levels exhibiting strong variability, it is possible to address the most important questions concerning the physics of the relativistic outflow in a systematic way. As modelled outbursts indicate, six blazars are well described in a leptonic context while four accelerate protons up to $\gamma \approx 10^{11}$. The impact on possible sources of extragalactic cosmic rays among blazars are discussed. Furthermore a correlation between the magnetic field within the jet and the injected luminosity is found being independent from the underlying particle species. In this context the blazar-sequence is explained as an evolutionary scenario, the decreasing gas-density in the hostgalaxy and hence the declining accretion rate giving rise to the sequence $FSRQ \rightarrow LBL/IBL \rightarrow HBL$ also confirmed by cosmological observations. The decreasing mass-loading of the outflow goes hand in hand with a abating magnetic field, i.e. protons become less confined way before the electrons. Therefore the blazar-sequence can be interpreted as the hadronicness of a jet. This also consistently explains the dichotomy between FSRQs and BL Lacs as well as in other manifestations of AGN, namely FR-I and FR-II radiogalaxies.\\ During the modelling it is shown that blazar spectra, especially of hadronically dominated AGN, are not to be interpreted in a time-independent, static limit since outbursts are accumulated due to relatively long proton synchrotron timescales. Low flux levels and diverse integration times of experiments in various energy bands will also require for a time-resolved treatment of variable sources, even leptonic ones. The systematic investigation of short time variability depicts, that it is excited in the same way for various outbursts of the same blazar, but has no common cause concerning different sources. Additionally the difference between long- and short-time variability is emphasized for each blazar observed at different flux levels in context with a possible lowstate of each source.
KW  - Blazar
KW  - AGN
KW  - Jet
KW  - Strahlungsprozesse: Nicht-Thermisch
KW  - AGN
KW  - blazar
KW  - jet
KW  - radiation: non thermal
KW  - Strahlung
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Astrophysik
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70508
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rüger, Michael
T1  - Ein zeitabhängiges, selbstkonsistentes hadronisch-leptonisches Strahlungsmodell zur Modellierung der Multiwellenlängenemission von Blazaren
T1  - A time-dependent, selfconsistent hadronic-leptonic emission modell for the multiwavelength emission of blazars
N2  - Diese Arbeit beschäftigt sich mit Strahlungsprozessen in Blazaren. Bei den Blazaren handelt es sich um eine Unterkategorie der aktiven Galaxienkerne, bei denen die Jetachse in Richtung des Beobachters zeigt. Charakteristisch für die Blazare ist ein Multifrequenzspektrum der Photonen, welches sich vom Radiobereich bis hin zur Gamma-Strahlung mit TeV-Energien erstreckt. Insbesondere der Gamma-Bereich rückt aktuell in den Fokus der Betrachtung mit Experimenten wie zum Beispiel FERMI und MAGIC. Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung der auftretenden Strahlungsprozesse und die Beschreibung der Multifrequenzspektren der Blazare mit Hilfe eines hadronisch-leptonischen Modells. Grundlage hierfür ist ein selbstkonsistentes Synchrotron-Selbst-Compton-Modell (SSC), welches zur Beschreibung des Spektrums der Quelle 1 ES 1218+30.4 verwendet wird. Dabei wird die Parameterwahl unterstützt durch eine Abschätzung der Masse des zentralen schwarzen Loches. Das hier behandelte SSC-Modell wird dahingehend untersucht, wie es sich unter Veränderung der Modellparameter verhält. Dabei werden Abhängigkeiten des Photonenspektrums von Änderungsfaktoren der Parameter abgeleitet. Außerdem werden diese Abhängigkeiten in Relation gesetzt und aus dieser Betrachtung ergibt sich die Schlussfolgerung, dass unter der Voraussetzung eines festen Spektralindex der Elektronenverteilung die Wahl eines Parametersatzes zur Modellierung eines Photonenspektrums eindeutig ist. Zur Einführung eines zeitabhängigen, hadronischen Modells wird das SSCModell um die Anwesenheit nichtthermischer Protonen erweitert. Dadurch kann Proton-Synchrotron-Strahlung einen Beitrag im Gamma-Bereich leisten. Außerdem werden durch Proton-Photon-Wechselwirkung Pionen erzeugt. Aus deren Zerfall werden zusammen mit der Paarbildung aus Photon-Photon-Absorption sekundäre Elektronen und Positronen produziert, die wiederum zum Hochenergiespektrum beitragen. Neben den Pionen werden bei der Proton-Photon- Wechselwirkung außerdem noch Neutrinos und Neutronen erzeugt, die einen direkten Einblick in die Emissionsregion erlauben. Das hier vorgestellte hadronische Modell wird auf die Quelle 3C 279 angewandt. Für diese Quelle reicht mit der Detektion im VHE-Bereich der SSCAnsatz nicht aus, um das Photonenspektrum zu beschreiben. Mit dem vorgelegten Modell gelingt die Beschreibung des Spektrums in den SSC-kritischen Bereichen sehr gut. Insbesondere können verschiedene Flusszustände modelliert und allein durch Veränderung der Maximalenergien von Protonen und Elektronen ineinander überführt werden. Diese einfache Möglichkeit der Modellierung der Variabilität der Quelle unterstreicht die Wahl des hadronischen Ansatzes. Somit wird hier ein sehr gutes Werkzeug zur Untersuchung der Emissionsprozesse in Blazaren geliefert. Darüber hinaus ist mit der Abschätzung des Neutrino-Flusses zwar die Detektion von 3C 279 als Punktquelle mit IceCube unwahrscheinlich, jedoch liefert das Modell generell die Möglichkeit im Kontext des Multimessenger-Ansatzes Antworten zu liefern. Im gleichen Kontext wird auch der Beitrag zur kosmischen Strahlung durch entweichende Neutronen untersucht.
N2  - This doctoral thesis discusses the radiative processes of blazars. Blazars are a subcategory of active galactic nuclei, where the jet axis points towards the observer. The typical spectrum of blazars ranges from radio frequencies up to the gamma ray regime at TeV energy. Current experiments like FERMI or MAGIC focus on the observation of gamma rays. Aim of this thesis is the modelling of the radiative processes and the description of the photon spectra of blazars using a lepto-hadronic emission model. It is based on a synchrotron self Compton model (SSC), which is applied to the source 1 ES 1218+30.4. The choice of parameters is supported by an estimation of the mass of the central black hole. It is shown how the SSC model reacts on the variation of the model parameters. The dependencies of the spectrum on the changing factors of the parameters are derived. The examination of these factors leads to the conclusion, that for a fixed spectral index of the electron distribution a particular choice of parameters to model the photon spectrum is unique. To introduce a time-dependent hadronic model the SSC model is extended by the presence of non-thermal protons, which leads to proton synchrotron radiation and proton photon interaction producing pions. Pion decay cascades together with pair creation due to photon photon absorption produce secondary electrons and positrons, which contribute to the high energy spectrum. In addition to that proton photon interaction creates neutrons and neutrinos, which provide a direct insight into the emission region. The presented hadronic model is applied to the source 3C 279. This blazar cannot be modelled by the one-zone SSC approach. The hadronic model solves the problems of the SSC model regarding this source. Different flux states are described by only changing the maximum energies of protons and electrons. This simple approach stresses the choice of the hadronic model to consider 3C 279. With this results we have a powerful tool for the examination of emission processes in blazars. With the estimated neutrino flux no detection as point source by IceCube is expected. However, in general it is possible to deliver answers with this model to the multi-messenger approach. In the same context the contribution of outgoing neutrons to cosmic rays is considered.
KW  - Blazar
KW  - Strahlung
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Aktive Galaxienkerne Blazare
KW  - Aktiver galaktischer Kern
KW  - AGN
KW  - blazar
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56955
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ganse, Urs
T1  - Kinetische Simulationen solarer Typ II Radiobursts
T1  - Kinetic Simulations of Solar Type II Radio Bursts
N2  - Die Emission solarer Typ II Radiobursts ist ein seit Jahrzehnten beobachtetes Phänomen der heliosphärischen Plasmaphysik. Diese Radiobursts, die im Zusammenhang mit der Propagation koronaler Schockfronten auftreten, zeigen ein charakteristisches, zweibandiges Emissionsspektrum. Mit expandierendem Schock driften sie zu niedrigeren Frequenzen. Analytische Theorien dieser Emission sagen nichtlineare Plasmawellenwechselwirkung als Ursache voraus, doch aufgrund des geringen Sonnenabstands der Emissionsregion ist die in-situ Datenlage durch Satellitenmessungen äusserst schlecht, so dass eine endgültige Verifikation der vorhergesagten Vorgänge bisher nicht möglich war. Mit Hilfe eines kinetischen Plasma-Simulationscodes nach dem Particle-in-Cell Prinzip wurde in dieser Dissertation die Plasmaumgebung in der Foreshock-Region einer koronalen Schockfront modelliert. Das Propagations- und Kopplungsverhalten elektrostatischer und elektromagnetischer Wellenmoden wurde untersucht. Die vollständige räumliche Information über die Wellenzusammensetzung in der Simulation erlaubt es, die Kinematik nichtlinearer Wellenkopplungen genauestens zu untersuchen. Es zeigte sich ein mit der analytischen Theorie der Drei-Wellen-Wechselwirkung konsistentes Bild der Erzeugung solarer Radiobursts: durch elektromagnetischen Zerfall elektrostatischer Moden kommt es zur Erzeugung fundamentaler, sowie durch Verschmelzung gegenpropagierender elektrostatischer Moden zur Anregung harmonischer Radioemission. Kopplungsstärken und Winkelabhängigkeit dieser Prozesse wurden untersucht. Mit dem somit zur Verfügung stehenden, numerischen Laborsystem wurde die Parameter-Abhängigkeit der Wellenkopplungen und entstehenden Radioemissionen bezüglich Stärke des Elektronenbeams und des solaren Abstandes untersucht.
N2  - The emission of solar type II radiobursts is a phenomenon of heliospheric plasma physics which has been observed for several decades. These radio bursts, which appear in conjunction with propagating coronal shocks, show a characteristic two-banded emission spectrum, drifting towards lower frequencies as the shock expands. Analytic theories predict nonlinear plasma wave interaction as the cause of these emissions. However, due to its low solar distance, in-situ satellite measurements of the emission regions’ properties are extremely scarce. Hence, a conclusive verification of the predicted processes was hitherto not attainable. Using a kinetic plasma simulation code based on the particle-in-cell approach, the plasma environment in a coronal shock’s foreshock region was modelled in this thesis. The propagation and coupling behaviour of electrostatic and electromagnetic wavemodes was investigated. Complete spatial information of the wave composition as obtainable from the simulations allowed to finely analyze the kinematics of nonlinear wave interactions. The results showed excitation of solar radiobursts in agreement with analytics predictions of three wave interaction processes, based on the nonlinear processes: electromagnetic decay of electrostatic modes is responsible for the fundamental and coalcescense of counterpropagating electrostatic waves responsable for the harmonic radio emission. Coupling strengths and angular dependences of these processes were then studied. With the numerical laboratory system obtained through this modelling effort, the parameter dependence of wave copulings and resulting radio emissions were explored, based on variation of electron beam strength and solar distance of the emission region.
KW  - Heliosphäre
KW  - Burst
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Heliosphere
KW  - Plasma Physics
KW  - Electromagnetic Waves
KW  - Electrostatic Waves
KW  - Nonlinear Interaction
KW  - Plasma
KW  - Elektromagnetische Welle
KW  - Elektrostatische Welle
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73676
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cecil, Alexander [geb. Schmid]
T1  - Metabolische Netzwerkanalysen für den Weg von xenobiotischen zu verträglichen antibiotischen Substanzen
T1  - Metabolic network analysis for the path from xenobiotic to compliant antibiotic substances
N2  - Durch das Auftreten neuer Stämme resistenter Krankheitserreger ist die Suche nach neuartigen Wirkstoffen gegen diese, sich ständig weiter ausbreitende Bedrohung, dringend notwendig. Der interdisziplinäre Sonderforschungsbereich 630 der Universität Würzburg stellt sich dieser Aufgabe, indem hier neuartige Xenobiotika synthetisiert und auf ihre Wirksamkeit getestet werden. Die hier vorgelegte Dissertation fügt sich hierbei nahtlos in die verschiedenen Fachbereiche des SFB630 ein: Sie stellt eine Schnittstelle zwischen Synthese und Analyse der Effekte der im Rahmen des SFB630 synthetisierten Isochinolinalkaloid-Derivaten. Mit den hier angewandten bioinformatischen Methoden wurden zunächst die wichtigsten Stoffwechselwege von S. epidermidis R62A, S. aureus USA300 und menschlicher Zellen in sogenannten metabolischen Netzwerkmodellen nachgestellt. Basierend auf diesen Modellen konnten Enzymaktivitäten für verschiedene Szenarien an zugesetzten Xenobiotika berechnet werden. Die hierfür benötigten Daten wurden direkt aus Genexpressionsanalysen gewonnen. Die Validierung dieser Methode erfolgte durch Metabolommessungen. Hierfür wurde S. aureus USA300 mit verschiedenen Konzentrationen von IQ-143 behandelt und gemäß dem in dieser Dissertation vorgelegten Ernteprotokoll aufgearbeitet. Die Ergebnisse hieraus lassen darauf schließen, dass IQ-143 starke Effekte auf den Komplex 1 der Atmungskette ausübt – diese Resultate decken sich mit denen der metabolischen Netzwerkanalyse. Für den Wirkstoff IQ-238 ergaben sich trotz der strukturellen Ähnlichkeiten zu IQ-143 deutlich verschiedene Wirkeffekte: Dieser Stoff verursacht einen direkten Abfall der Enzymaktivitäten in der Glykolyse. Dadurch konnte eine unspezifische Toxizität dieser Stoffe basierend auf ihrer chemischen Struktur ausgeschlossen werden. Weiterhin konnten die bereits für IQ-143 und IQ-238 auf Bakterien angewandten Methoden erfolgreich zur Modellierung der Effekte von Methylenblau auf verschiedene resistente Stämme von P. falciparum 3D7 angewandt werden. Dadurch konnte gezeigt werden, dass Methylenblau in einer Kombination mit anderen Präparaten gegen diesen Parasiten zum einen die Wirkung des Primärpräparates verstärkt, zum anderen aber auch in gewissem Maße vorhandene Resistenzen gegen das Primärpräparat zu verringern vermag. Somit konnte durch die vorgelegte Arbeit eine Pipeline zur Identifizierung der metabolischen Effekte verschiedener Wirkstoffe auf unterschiedliche Krankheitserreger erstellt werden. Diese Pipeline kann jederzeit auf andere Organismen ausgeweitet werden und stellt somit einen wichtigen Ansatz um Netzwerkeffekte verschiedener, potentieller Medikamente aufzuklären.
N2  - With the emergence of new strains of resistant pathogens, the search for new compounds against this spreading threat is of utmost importance. The interdisciplinary special research field SFB630 of the University of Würzburg is ready to tackle this task by synthesizing and analysing the effects of xenobiotics. The presented dissertation is seamlessly integrated into the diverse range of special fields of the SFB630: it provides a gateway between synthesis and analysis of the effects of the newly synthesized isoquinoline alkaloid derivatives. The presented bioinformatic methods were used to build a so called metabolic network model of the most important pathways of S. epidermidis RP62A, S. aureus USA300 and human cells. Based on these models it was possible to calculate the enzyme activities for different scenarios of added xenobiotics. The data needed for these calculations were derived directly from gene expression analysis. Validation of this method was done by metabolomic measurements. In order to accomplish this, a strain of S. aureus USA300 was subjected to different concentrations of IQ-143 and processed according to the workflow also published in this dissertation. The results suggest that IQ-143 has very strong effects on the complex 1 of the oxidative phosphorylation – these results are consistent with the results obtained by the metabolic network analysis. Although IQ-238 is structurally a close relative to IQ-143, the effects of this compound are very different: it leads to a drop of the enzyme activities in the glycolysis. Therefore an unspecific toxicity of those compounds based on their chemical structure dould be ruled out. The methods used to model the effects of IQ-143 and IQ-238 on bacteria were furthermore successfully transferred to model the effects of methylene blue on several resistant strains of P. falciparum 3D7. It was shown that a combination of methylene blue and other malaria medications either enhances the effects of the primary medication, or – in the case of a resistant strain – methylene blue was able to mitigate the resistances against the primary medication. The presented dissertation was thus successfully able to build a pipeline to identify the metabolic effects of different compounds on various germs. This pipeline can be expanded to other organisms at any time and therefore yields an important approach to identify network effects of various potential drugs.
KW  - Stoffwechsel
KW  - Bioinformatik
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Enzymaktivität
KW  - Xenobiotikum
KW  - Netzwerkanalyse
KW  - Bioinformatik
KW  - Metabolische Stoffwechselmodellierung
KW  - Metabolomik
KW  - Metabonomik
KW  - Network analysis
KW  - Bioinformatics
KW  - metabolic pathway modeling
KW  - metabolomics
KW  - metabonomics
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71866
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pollinger, Felix
T1  - Bewertung und Auswirkungen der Simulationsgüte führender Klimamoden in einem Multi-Modell Ensemble
T1  - Evaluation and effects of the simulation quality of leading climate modes in a multi-model ensemble
N2  - Der rezente und zukünftige Anstieg der atmosphärischen Treibhausgaskonzentration bedeutet für das terrestrische Klimasystem einen grundlegenden Wandel, der für die globale Gesellschaft schwer zu bewältigende Aufgaben und Herausforderungen bereit hält. Eine effektive, rühzeitige Anpassung an diesen Klimawandel profitiert dabei enorm von möglichst genauen Abschätzungen künftiger Klimaänderungen.
Das geeignete Werkzeug hierfür sind Gekoppelte Atmosphäre Ozean Modelle (AOGCMs). Für solche Fragestellungen müssen allerdings weitreichende Annahmen über die zukünftigen klimarelevanten Randbedingungen getroffen werden. Individuelle Fehler dieser Klimamodelle, die aus der nicht perfekten Abbildung der realen Verhältnisse und Prozesse resultieren, erhöhen die Unsicherheit langfristiger Klimaprojektionen. So unterscheiden sich die Aussagen verschiedener AOGCMs im Hinblick auf den zukünftigen Klimawandel insbesondere bei regionaler Betrachtung, deutlich. Als Absicherung gegen Modellfehler werden üblicherweise die Ergebnisse mehrerer AOGCMs, eines Ensembles an Modellen, kombiniert. Um die Abschätzung des Klimawandels zu präzisieren, wird in der vorliegenden Arbeit der Versuch unternommen, eine Bewertung der Modellperformance der 24 AOGCMs, die an der dritten Phase des Vergleichsprojekts für gekoppelte Modelle (CMIP3) teilgenommen haben, zu erstellen. Auf dieser Basis wird dann eine nummerische Gewichtung für die Kombination des Ensembles erstellt. Zunächst werden die von den AOGCMs simulierten Klimatologien für einige
grundlegende Klimaelemente mit den betreffenden klimatologien verschiedener Beobachtungsdatensätze quantitativ abgeglichen. Ein wichtiger methodischer Aspekt
hierbei ist, dass auch die Unsicherheit der Beobachtungen, konkret Unterschiede zwischen verschiedenen Datensätzen, berücksichtigt werden. So zeigt sich, dass die Aussagen, die aus solchen Ansätzen resultieren, von zu vielen Unsicherheiten in den Referenzdaten beeinträchtigt werden, um generelle Aussagen zur Qualität von AOGCMs zu treffen. Die Nutzung der Köppen-Geiger Klassifikation offenbart jedoch, dass die prinzipielle Verteilung der bekannten Klimatypen im kompletten CMIP3 in vergleichbar guter Qualität reproduziert wird. Als Bewertungskriterium wird daher hier die Fähigkeit der AOGCMs die großskalige natürliche Klimavariabilität, konkret die hochkomplexe gekoppelte
El Niño-Southern Oscillation (ENSO), realistisch abzubilden herangezogen. Es kann anhand verschiedener Aspekte des ENSO-Phänomens gezeigt werden, dass nicht alle AOGCMs hierzu mit gleicher Realitätsnähe in der Lage sind. Dies steht im Gegensatz zu den dominierenden Klimamoden der Außertropen, die modellübergreifend überzeugend repräsentiert werden. Die wichtigsten Moden werden, in globaler Betrachtung, in verschiedenen Beobachtungsdaten über einen neuen Ansatz identifiziert. So können für einige bekannte Zirkulationsmuster neue Indexdefinitionen gewonnen werden, die sich sowohl als äquivalent zu den Standardverfahren erweisen und im Vergleich zu diesen zudem eine deutliche Reduzierung
des Rechenaufwandes bedeuten. Andere bekannte Moden werden dagegen als weniger bedeutsame, regionale Zirkulationsmuster eingestuft. Die hier vorgestellte
Methode zur Beurteilung der Simulation von ENSO ist in guter Übereinstimmung mit anderen Ansätzen, ebenso die daraus folgende Bewertung der gesamten Performance
der AOGCMs. Das Spektrum des Southern Oscillation-Index (SOI) stellt somit eine aussagekräftige Kenngröße der Modellqualität dar.
Die Unterschiede in der Fähigkeit, das ENSO-System abzubilden, erweisen sich als signifikante Unsicherheitsquelle im Hinblick auf die zukünftige Entwicklung einiger fundamentaler und bedeutsamer Klimagrößen, konkret der globalen Mitteltemperatur,
des SOIs selbst, sowie des indischen Monsuns. Ebenso zeigen sich signifikante Unterschiede für regionale Klimaänderungen zwischen zwei Teilensembles des CMIP3, die auf Grundlage der entwickelten Bewertungsfunktion eingeteilt werden. Jedoch sind diese Effekte im Allgemeinen nicht mit den Auswirkungen der
anthropogenen Klimaänderungssignale im Multi-Modell Ensemble vergleichbar, die für die meisten Klimagrößen in einem robusten multivariaten Ansatz detektiert und
quantifiziert werden können. Entsprechend sind die effektiven Klimaänderungen, die sich bei der Kombination aller Simulationen als grundlegende Aussage des
CMIP3 unter den speziellen Randbedingungen ergeben nahezu unabhängig davon, ob alle Läufe mit dem gleichen Einfluss berücksichtigt werden, oder ob die erstellte nummerische Gewichtung verwendet wird. Als eine wesentliche Begründung hierfür kann die Spannbreite der Entwicklung des ENSO-Systems identifiziert werden. Dies
bedeutet größere Schwankungen in den Ergebnissen der Modelle mit funktionierendem ENSO, was den Stellenwert der natürlichen Variabilität als Unsicherheitsquelle
in Fragen des Klimawandels unterstreicht. Sowohl bei Betrachtung der Teilensembles als auch der Gewichtung wirken sich dadurch gegenläufige Trends im SOI
ausgleichend auf die Entwicklung anderer Klimagrößen aus, was insbesondere bei letzterem Vorgehen signifikante mittlere Effekte des Ansatzes, verglichen mit der
Verwendung des üblichen arithmetischen Multi-Modell Mittelwert, verhindert.
N2  - The recent and future increase in atmospheric greenhouse gases will cause fundamental change in the terrestrial climate system, which will lead to enormous tasks and challenges for the global society. Effective and early adaptation to this climate change will benefit hugley from optimal possible estimates of future climate
change. Coupled atmosphere-ocean models (AOGCMs) are the appropriate tool for this. However, to tackle these questions, it is necessary to make far reaching
assumptions about the future climate-relevant boundary conditions. Furthermore there are individual errors in each climate model. These originate from flaws in
reproducing the real climate system and result in a further increase of uncertainty with regards to long-range climate projections. Hence, concering future climate
change, there are pronounced differences between the results of different AOGCMs, especially under a regional point of view. It is the usual approach to use a number
of AOGCMs and combine their results as a safety measure against the influence of such model errors. In this thesis, an attempt is made to develop a valuation
scheme and based on that a weighting scheme, for AOGCMs in order to narrow the range of climate change projections. The 24 models that were included in the
third phase of the coupled model intercomparsion project (CMIP3) are used for this purpose. First some fundamental climatologies simulated by the AOGCMs are quantitatively
compared to a number of observational data. An important methodological aspect of this approach is to explicitly address the uncertainty associated with the observational data. It is revealed that statements concerning the quality of climate models based on such hindcastig approaches might be flawed due to uncertainties
about observational data. However, the application of the Köppen-Geiger classification reveales that all considered AOGCMs are capable of reproducing the fundamental distribution of observed types of climate.
Thus, to evaluate the models, their ability to reproduce large-scale climate variability is chosen as the criterion. The focus is on one highly complex feature,
the coupled El Niño-Southern Oscillation. Addressing several aspects of this climate mode, it is demonstrated that there are AOGCMs that are less successful in doing so than others. In contrast, all models reproduce the most dominant extratropical climate modes in a satisfying manner. The decision which modes are the most important is made using a distinct approach considering several global sets of observational data. This way, it is possible to add new definitions for the time series of some well-known climate patterns, which proof to be equivalent to the standard definitions. Along with this, other popular modes are identified as less important regional patterns. The presented approach to assess the simulation of ENSO is in good agreement with other approaches, as well as the resulting rating of the overall model performance. The spectrum of the timeseries of the Southern Oscillation Index (SOI) can thus be regarded as a sound parameter of the quality of AOGCMs.
Differences in the ability to simulate a realistic ENSO-system prove to be a significant source of uncertainty with respect to the future development of some
fundamental and important climate parameters, namely the global near-surface air mean temperature, the SOI itself and the Indian monsoon. In addition, there are significant differences in the patterns of regional climate change as simulated by two ensembles, which are constituted according to the evaluation function
previously developed. However, these effects are overall not comparable to the multi-model ensembles’ anthropogenic induced climate change signals which can
be detected and quantified using a robust multi-variate approach. If all individual simulations following a specific emission scenario are combined, the resulting
climate change signals can be thought of as the fundamental message of CMIP3.
It appears to be quite a stable one, more or less unaffected by the use of the derived weighting scheme instead of the common approach to use equal weights
for all simulations. It is reasoned that this originates mainly from the range of trends in the SOI. Apparently, the group of models that seems to have a realistic
ENSO-system also shows greater variations in terms of effective climate change. This underlines the importance of natural climate variability as a major source
of uncertainty concerning climate change. For the SOI there are negative Trends in the multi-model ensemble as well as positive ones. Overall, these trends tend
to stabilize the development of other climate parameters when various AOGCMs are combined, whether the two distinguished parts of CMIP3 are analyzed or the
weighting scheme is applied. Especially in case of the latter method, this prevents significant effects on the mean change compared to the arithmetic multi-model mean.
KW  - Modell
KW  - Klima
KW  - Statistik
KW  - Anthropogene Klimaänderung
KW  - El-Niño-Phänomen
KW  - multi-model ensemble
KW  - großskalige Klimavariabilität
KW  - Gewichtung von Klimamodellen
KW  - large scale climate variability
KW  - weighting of climate models
KW  - Allgemeine atmosphärische Zirkulation
KW  - Klimatologie
KW  - Klimaänderung
KW  - Modellierung
KW  - Mathematisches Modell
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-97982
ER  - 
TY  - THES
A1  - Richter, Stephan
T1  - Detaillierte Simulationen von Blazar-Emissionen : ein numerischer Zugang zu Radiobeobachtungen und Kurzzeitvariabilität
T1  - Detailed Simulations of Blazar-Emission: A numerical approach to Radio observations and short term variability
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Prozessen, die in einer Unterklasse der Aktiven Galaxienkerne, den Blazaren, das Emissionsspektrum dieser Objekte erzeugen. Dies beinhaltet insbesondere den Beschleunigungsprozess, der eine nichtthermische Teilchenverteilung erzeugt, sowie diverse Strahlungsprozesse. Das Spektrum dieser Quellen reicht dabei vom Radiobereich bis zu Energien im TeV-Bereich. Die Form des zeitlich gemittelten Spektrums kann durch Modelle bereits sehr gut beschrieben werden. Insbesondere die erste der beiden dominierenden Komponenten des Spektrums kann mit hoher Sicherheit mit Synchrotronemission einer Elektronenenergieverteilung in Form eines Potenzgesetzes identifiziert werden. Für den Ursprung der zweiten Komponente existieren jedoch verschiedene Erklärungsversuche. Dies sind im wesentlichen die inverse Compton-Streuung der internen oder externer Strahlung (leptonische Modelle) sowie die Emission und photohadronische Wechselwirkung einer hochenergetischen Verteilung von Protonen in der Quelle.

Eine räumliche Auflösung des Ursprungs der detektierten Strahlung ist mit den zur Verfügung stehenden Teleskopen nicht möglich. Einschränkungen für die Ausdehnung dieser Emissionszone ergeben sich lediglich aus der Variation des Emissionsspektrums. Eine Bestimmung der Morphologie ist jedoch im selbstabsorbierten Radiobereich des Spektrums durch die Ausnutzung von interferometrischen Beobachtungen möglich. Die resultierenden Längen, auf denen die im inneren der Quelle selbstabsorbierte Strahlung die Quelle schließlich verlässt, sind jedoch etwa zwei Größenordnungen oberhalb der aus den Variabilitätszeitskalen gefolgerten Limits.

Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell soll dabei helfen, verschiedene Beobachtungen mit Hilfe eines quantitativen Modells zu beschreiben. Hier steht insbesondere die Korrelation zwischen den Verläufen der Hochenergie- und Radioemission im Vordergrund. Eine Aussage über die Existenz einer solchen Verbindung konnte aus den bisherigen Beobachtungen nicht getroffen werden.
Eine quantitative Modellierung könnte bei der Interpretation der bisher uneindeutigen Datenlage helfen. Eine weitere, durch Modelle bisher nicht beschreibbare, Beobachtungsevidenz sind extrem kurzzeitige Variationen des Flusszustands.
Die Lichtlaufzeit durch das für die Modellierung benötigte Raumgebiet ist zumeist größer als die beobachtete Zeitskala.
Zudem deuten die Beobachtungen darauf hin, dass manche dieser Flussausbrüche nicht zwischen den verschiedenen Bändern korreliert sind, wie es zumindest die leptonischen Modelle erwarten lassen würden.

Das hier beschriebene Modell verbindet eine räumliche Auflösung des Emissionsgebiets mit dem dominanten Beschleunigungsmechanismus. Hierdurch konnte zunächst gezeigt werden, dass die Beschreibung von Variabilität auch auf Skalen unterhalb der Lichtlaufzeit durch das modellierte Raumgebiet möglich ist. Zudem wurde ein Szenario quantifiziert, dass im leptonischen Fall unkorrelierte Ausbrüche vorhersagt.
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Durch eine Erweiterung des Emissionsgebiets gegenüber anderen Blazar-Modellen um zwei Größenordnung konnte zudem eine Verknüpfung zwischen dem Hochenergie- und dem Radiobereich erfolgen. Die gefundene Morphologie des Einschlussgebiets der nichtthermischen Teilchenpopulation beinhaltet eine physikalisch sinnvolle Randbedingung für das Emissionsgebiet der Hochenergiestrahlung, die zudem den für die betrachtete Quelle korrekten Spektralindex im Radiobereich erzeugt.
Darüber hinaus wurden in das Modell sowohl leptonische als auch hadronische Prozesse integriert, die eine flexible und unvoreingenommene Modellierung potentieller Hybridquellen erlauben.

Mit dem entwickelten Modell ist es möglich, aus detailliert vermessenen Lichtkurven im Hochenergiebereich die zu erwartende Radioemission vorherzusagen. Die in diese Vorhersage eingehenden Parameter lassen sich aus der Modellierung des Gleichgewichtsspektrums bestimmen.
N2  - The work presented here addresses processes that are responsible for the emission spectra of a certain sub-class of Active Galactic Nuclei, the Blazars. In particular, these include the acceleration process,
producing the non-thermal particle distribution, and various Emission processes. The spectra of Blazars range from the radio band up until energies in the TeV range. The form of the steady state spectrum is explained well by existing models. There is, in particular, strong
evidence that the first of the two bumps of the spectral energy distribution is the synchrotron emission of an electron power-law distribution. For the second bump there are, however, several possibilities. Roughly speaking these are the inverse Compton scattering of
the internal radiation or an external radiation field (leptonic models), as well as the emission of non-thermal protons and photo hadronic interactions with these protons.

A resolution of the source of the detected radiation is not in the scope of existing telescopes. Limits on the spatial extent of the Emission region only follow from the variation timescales of the spectra. In the
self-absorbed radio regime, a determination of the morphology is however possible due to interferometric observations. The observed lengths represent the scale at which the radiation, which is self-absorbed in
the innermost parts, eventually leaves the source. However, this scale is two orders of magnitude larger than the limits deduced from the variability timescales.

The model developed during the course of this work is designed to produce a quantitative description of various observations. First and foremost these are the correlations between the radio regime and the very high energy regime. Strong evidence either for or against the existence of such a correlation was not possible thus far with the available data. Quantitative modelling could help to interpret the presently unclear situation. Additional observations, that cannot be explained by current models, are extreme short-term variability. The light travelling times through the emission region that are required for the steady state modelling are usually much longer than the observed timescales. Moreover,
observations indicate that some of the observed flares have no correlated variability in other bands as would be expected from leptonic models.

The model described in this thesis connects a spatial resolution of the emission region with the dominant acceleration process. With this approach it could be shown, that the modelling of variability on scales
below the light travel time limits can be achieved. Moreover, a leptonic scenario predicting uncorrelated short-term variability was quantified.
A connection between the radio and very high energy emission was achieved via an extension of the size of the emission region by two orders of magnitude. The morphology of the confinement region that was
used for the large scale simulations provides both a physical Sound boundary condition for the high energy emission, as well as a correct description of the observed spectral index in the radio.
Furthermore, both leptonic and photohadronic processes were implemented, providing a flexible and unbiased modelling of hybrid sources.

The developed model is capable of predicting the radio emission on the basis of detailed light curves in the high energy regime. The Parameters entering this prediction follow from the modelling of the steady state
of the chosen source.
KW  - Blazar
KW  - Strahlung
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Strahlung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-103209
ER  -